基于丙烯腈共聚物基纳米碳纤维复合材料的生物传感器的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于生物传感器的制备技术领域，特别涉及丙烯腈共聚物基纳米碳纤维吸附、固定酶并制备具有生物活性复合膜电极的方法。
【背景技术】
[0002]生物传感器是一类固载有酶、蛋白质等生物活性材料并将其对某类物质的响应转变为电信号的并加以分析的系统，利用生物材料对底物的特异性响应，其具有精确、快速、专一、简便等优势。但是一般情况下，生物材料受环境的影响较大，容易失活或者脱附，因此，通过合适的工艺固载这些生物分子并保证其活性成为了研宄的重点，如凝胶、交联聚合物、碳-聚合物复合体系、导电盐等多种用以固载酶的材料的到了研宄。
[0003]纳米碳纤维以其高电导率，高比表面积成为近年来固定酶的热点材料，通过纳米碳纤维制备的复合酶电极可以极大地提高电极的响应性能。但通常情况下，纳米碳纤维表面光滑，无特殊基团，导致其亲水性和与酶的相容性并不理想。因此，通过合适的工艺制备具有含氮、含氧官能团的改性纳米碳纤维，改善其与酶蛋白的相容性能，是目前碳纤维在酶电极的制备中急需解决的问题。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是制备一种能改善纳米碳纤维与酶蛋白的相容性的基于丙烯腈共聚物基纳米碳纤维复合材料的生物传感器的制备方法。
[0005]本发明包括以下步骤:
1)将丙烯腈共聚物通过静电纺丝制备取得前驱体纤维；
2)对前驱体纤维进行预氧化和碳化处理，取得P(AN-co-AA)基碳纤维；
3)在超声条件下，将粉碎后的P(AN-co-AA)基碳纤维分散于去离子水中，配置成一定浓度的P(AN-co-AA)碳纤维悬浮液；
4)将P(AN-co-AA)碳纤维悬浮液、酶和粘合剂混合形成含酶的P(AN- co_AA)基碳纤维混合溶剂；
5)将含酶的P(AN- CO-AA)基碳纤维混合溶剂滴涂至电极表面，干燥后即得生物传感器。
[0006]本发明通过丙烯腈共聚物电纺纤维碳化处理后制备多孔含氮纳米碳纤维，通过预氧化和碳化处理对纳米碳纤维进行改性，共聚组分在碳化时热解生成气体，在纳米碳纤维表面留下孔隙，增加了碳纤维的比表面积和孔积率，同时此种碳纤维表面由于高含量的共聚组分影响了环化反应的进行，其表面具有较高的含氮基团，使碳纤维与酶的相容性能与亲水性能增加，同时碳纤维的引入相较于传统酶固载材料具有更高的电导率，促进底物与电极表面的电子传递，致使此种生物膜电极具有更高的底物响应性能。
[0007]本发明制备工艺简单，材料易得，原料用量少。此种制成的电极对底物具有较宽的线性响应范围，灵敏度高，稳定好，具有良好的重现性。
[0008]另外，含量为10%?50%的共聚单体能够有效提升碳纤维前驱体在预氧化过程中的环化反应进行，但同时会阻碍石墨化反应，使此种碳纤维具有较高的氮含量，增加其对水和酶的亲和性。同时，高含量的共聚组分会起到一定的致孔效果，更加增大了其对酶的吸附量。因此，本发明所述步骤I)中所述丙烯腈共聚物中与丙烯腈共聚的共聚单体为丙烯酸、衣康酸、甲基丙烯酸、甲基丙烯酸甲酯中的任意一种，共聚单体的摩尔含量占总物质的量的10 ?50%
在较低温度下不利于丙烯腈段的稳定，而丙烯酸或衣康酸等共聚组分在较高温度下会熔融，碳纤维收缩率增加，珠串状结构增多，不利于控制纳米碳纤维的质量。因此，本发明在预氧化处理时，以I?3°C /min的升温速率，将环境温度升至200?300°C后保温2?3h。此种工艺参数能够保持碳纤维内部形成不熔不燃的梯形结构，制备形貌稳定，分部均一的纳米碳纤维。
[0009]碳化温度决定着碳纤维中石墨化的程度，石墨化温度越高，碳纤维中氮含量越低，碳纤维电导率就越高。控制石墨化温度可以调节生物传感器中碳纤维作为酶固定材料，其对酶的亲和性能以及其于玻碳电极表面电子传输的速率。碳化温度升高时，碳纤维中氮元素含量降低，对酶的吸附效果降低，但其电导率上升，生物传感器的灵敏度下降，但响应时间降低，反之同理。因此，本发明在碳化处理时，以5?10°C /min的升温速率，将环境温度升至600?900 °C后保温2?3h，可使生物传感器具有不同的响应效果。
[0010]较低的共聚物基碳纤维含量其制备而得的生物传感器响应性能较差，对酶的吸附量低。但碳纤维含量过高时，底物以及反应物难以进入膜电极内部，同样使传感器性能下降。基于此，本发明步骤3)制成的P(AN-CO-AA)碳纤维悬浮液中P(AN-CO-AA)碳纤维的含量为I?20mg/mL。
[0011]另外，本发明步骤4)中先将酶的水溶液与P(AN-co-AA)碳纤维悬浮液混合均匀，取得含酶的P (AN- C0-AA)基碳纤维混合溶剂，然后再混入粘合剂。P(AN-C0-AA)碳纤维表面具有多孔性质，先与酶混合可使碳纤维表面充分吸附蛋白酶，待其吸附饱和后加入粘合剂可防止酶在使用过程中脱落，使传感器的性能达到最佳。
[0012]酶的含量决定了此种电极的响应性能，通常酶的固载量越高，电极的响应性能越好，但酶与P(AN-co-AA)碳纤维的质量比过高时，碳纤维表面的吸附已经饱和，多余的酶无法固载，反而会阻碍电子传递，因此本发明所述酶的水溶液中酶与P(AN-co-AA)碳纤维悬浮液中P(AN-co-AA)碳纤维的混合质量比为1:10?10:1。
[0013]粘合剂的含量应以保证的P (AN- co-AA)基碳纤维/酶混合物能够充分粘合且均匀成膜为宜。较低的粘合剂无法保证成膜时碳纤维的固定强度以及分散性，粘合剂较多会堵塞孔洞，阻碍底物交换以及电子传递。所以，本发明所述粘合剂与含酶的P (AN- co-AA)基碳纤维混合溶剂中溶质的混合质量比为1:5?20。
[0014]所述粘合剂为壳聚糖、全氟磺酸-聚四氟乙烯共聚物、Laponite或水滑石中的至少任意一种。这些粘合剂具有亲水性好，对酶无毒性且相容性高，成膜能力强且粘合能力强等有点。可使电极表面形成均匀的多孔结构提升传感器性能。
【附图说明】
[0015]图1为本发明实施例一制备的复合膜电极表面的扫描电镜图。
[0016]图2为本发明实施例一制备的复合膜电极的电流时间响应曲线。
[0017]图3为本发明实施例一制备的复合膜电极的浓度校正曲线。
[0018]图4为本发明实施例一制备的复合膜电极的线性范围曲线。
[0019]【具体实施方式】:
一、实施例一:
1、制备前驱体纤维:
将单体丙烯酸摩尔含量为15%的丙烯腈-丙烯酸共聚物(P (AN-CO-AA))与N，N-二甲基甲酰胺混合，在60°C的水浴中加热搅拌6h，配置成浓度为12w%的丙烯腈-丙烯酸共聚物纺丝液。
[0020]在纺丝电压14KV，纺丝距离14cm的条件下，以丙烯腈-丙烯酸共聚物纺丝液为原料进行静电纺丝制，制得前驱体P (AN-co-AA)纳米纤维。
[0021]2、对前驱体P (AN-co-AA)纳米纤维进行预氧化和碳化处理:
将P (AN-co-AA)纳米纤维至于管式炉中，以1°C /min的速率升至200°C，保温2h，随后以10°C /min的速率升至900°C，保温2h，随后冷却至室温，取得P (AN-co-AA)基碳纤维。
[0022]3、制备P (AN-co-AA)碳纤维悬浮液:
将P (AN-co-1A)基碳纤维研磨后置于去离子水中，超声震荡30min，配置成P(AN-co-1A)基碳纤维含量为20mg/mL的P (AN-co-AA)碳纤维悬浮液，备用。
[0023]以上超声频率为20?ΙΟΟΚΗζ，超声时间为30min?2h。
[0024]4、配制含酶的P (AN- C0-AA)基碳纤维混合溶剂:
配置1?%的醋酸水溶液，将壳聚糖溶于其中，配置成含有壳聚糖2w%的壳聚糖/醋酸溶液，随后用二次水稀释至含有壳聚糖2 。的壳聚糖/醋酸溶液，备用。
[0025]配置浓度为8mg/mL的多酚氧化酶水溶液。
[0026]将多酚氧化酶水溶液与P (AN-co-AA)碳纤维悬浮液混合，混合时多酚氧化酶水溶液中的溶质与P(AN-co-AA)碳纤维悬浮液中的溶质的质量比为2:1，经搅拌使碳